普考申論題
114年
[化學工程] 化工機械概要
第 一 題
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
乙醇發酵水溶液為何無法以一般蒸餾方法得到無水乙醇（即 100%乙醇）？需如何解決？（5 分）
思路引導 VIP
看到「乙醇無法100%分離」，直覺必須連結到化工熱力學中的「共沸物（Azeotrope）」概念。解決此問題的思路在於「如何打破或避開氣液相平衡的限制」，可從添加第三成分改變相對揮發度（共沸/萃取蒸餾）或利用物理孔隙/化學反應（分子篩/乾燥劑）等方向來構思答案。
小題 (二)
一蒸餾塔，每分鐘 600 莫耳的進料組成為 0.6 莫耳分率乙醇及 0.4 莫耳分率水。若塔底產物流量每分鐘 120 莫耳含 0.1 莫耳分率乙醇，其餘為水。則塔頂產物每分鐘流量為何？乙醇的莫耳分率為何？若塔頂回流率為每分鐘 240 莫耳，回流比是多少？（15 分）
思路引導 VIP
面對蒸餾塔的進出料計算，首要核心是建立「總質量平衡」與「成分質量平衡」方程式（In = Out）。先利用總流量求出未知的塔頂流量，再由成分守恆解出塔頂組成，最後套用回流比定義（回流量/塔頂產物量）即可輕鬆得分。
乙醇共沸與無水純化
💡 乙醇與水形成共沸物導致汽液組成相同，需藉由特殊操作打破平衡。
| 比較維度 | 共沸/萃取蒸餾 | VS | 分子篩吸附 (3A) |
|---|---|---|---|
| 分離原理 | 改變氣液相對揮發度 | — | 分子直徑尺寸差異 |
| 添加物質 | 需加共沸劑或溶劑 | — | 不需添加化學藥劑 |
| 工業優勢 | 傳統化工製程成熟 | — | 節能且無溶劑殘留 |
💬傳統法利用熱力學平衡改變，分子篩則利用動力學直徑篩分，為目前主流。
